全國中小學科展

數學科

騎士變奏曲

騎士過城堡是一款棋盤模式的電腦遊戲,棋盤是由14格棋盤格組成之圖形,以騎士棋的斜日式走法,選擇棋盤格上的任意棋盤格作起點,跳完棋盤格上的14格棋盤格,每個棋盤格子僅能跳一次,跳完全部棋盤格回到起點即過過關。研究動機是希望能找出符合過關條件的其他棋盤格圖形以增加遊戲樂趣。研究目的在5X5與6X6的棋盤格範圍內,探討以「基礎圖形擴張法」找出其延伸的棋盤格圖形,與圖形中具多條可解路徑之規律性。研究過程中下指令Chatgpt生成Python程式碼,跑出基礎圖形延伸之棋盤格路徑。研究結果在5X5以8格基礎圖形其延伸圖形有14個、5X5與6X6以6格基礎圖形其延伸圖形分別有306與14535個,而圖形的中多條可解路徑由1-多條主迴圈與1-2條次迴圈所構成之規律性。

井字遊戲-次元突破

本次研究的目的,是將傳統的井字遊戲做延伸,將之轉成立體空間的OX遊戲,討論3x3x3井字遊戲的先手必勝方式;之後將立體井字遊戲再延伸,把維度提高至4以上,給定維度在4以上的遊戲規則,同時找出在維度n、長度3的情況下,先手必勝的方式;再來計算出在維度n、長度k的情況下,可連線之方式有∑_(i=1)^n▒C_i^n ×2^(i-1)×k^(n-i)種,也給出在維度n、長度k的條件下,任意給出一點,此點可連線出去的條件與算法,最後得到結論,點越置中越好。

滾積木遊戲之研究與推廣

在mxn大小的棋盤上,將一個sxsxt大小的長方體積木立於左下角的格子(始點),以「倒、滾、立」三種移動方式,以及「向右、向上」兩種方向移動至右上角格子(終點)。本研究的目的在找出所有的有解盤面,以及盤面有解時所有的可行路徑數。作品中我們找出了路徑數的遞迴關係式,並推導出所有可行路徑數的通式,同時求出最小移動步數與最大移動步數。

探討互等邊三角形之性質

本研究著重探討互等邊三角形的形成條件以及其外、重、垂及內心軌跡的圖形及相關性質。平面上給定∆ABC及一點P1,所形成之兩個互等邊三角形 ∆P1 P2 P3及∆P1 P2 P4,形成條件必須滿足̅(AC)-̅(CP1 ) ≤̅ (AP2 ) ≤̅(AC)+ ̅(CP1 ) 且P1 、P2 、P3其中兩點皆無共線。 以下是研究中觀察∆ABC為一等腰三角形及P1在∆ABC的中垂線上且不在A'上時,互等邊三角形各心軌跡的結果: 一、外心軌跡會形成一扣除兩點的圓及扣除兩點的直線。 二、重心軌跡會形成一扣除兩點的圓及扣除一點的線段。 三、 垂心軌跡會形成一扣除兩點的圓及至少扣除一點的直線(P1不在∆ABC的垂心上)。 四、內心軌跡會形成扣除一點的心臟線軌跡及扣除一點的線段,並且扣除點皆為P1點。

化繁為簡─尋找最小值通式

研究的方向是從「雙週一題」108第一學期的第三題出發:數列滿足X0=2 與│xk│=│xk-1+1│,k≧1,求│x1+x2+…+x2019│的最小值。題目只做2019項的相加,我們想延伸到 項相加,若從「雙週一題」公布的解析思考,每換一個 值都要一個推導過程,才能得到答案,不那麼直接,少了「公式」精簡過程的精神。故我們要找一個代入 值就能得到答案的通式。 將分支做了定義,框出各層得到最小值的所有路徑,找出層間共通路徑,並由此推出最小值的通式。之後嘗試用程式-貪婪法與窮舉法、雙週一題概念、數學理論等方法驗證最小值通式、路徑的正確性。

正多邊形平行封閉鍊接結構之研究

本研究探討n個邊長分別為1、2、…、n的正方形鍊接成平行封閉結構的存在性與方法透過「 任意值矩形頂點配對法」可成功鍊接;任意數列的正方形組也可成功,最快速的是「最大值矩形頂點配對法」。 推廣至正多邊形正偶邊形透過「對角線重合法」,正奇邊形透過「對角線重合法」搭配「對角線與邊重合法」,每邊可互相平行;將n個正多邊形放置在對角線連線成的平行四邊形,利用n值特性「4k、4k+1、4k+2、4k+3」分類頂點位置結合「單向複雜形平行結構」邊長和的差為1或2可透過對角線「中心」或「端點」出發的「最大值平行四邊形頂點配對法」鍊接 。 最後得到最大及最小完全覆蓋矩形鍊接法,並推得鍊接正方形內部封閉面積公式。

不變應萬變-旋轉吧!婆羅摩笈多!

本研究主要推廣婆羅摩笈多定理,並探討軌跡方程式與新的不變量。圓錐曲線 內任取一定點F,且在 上以逆時針依序取點P1、P2 、…、Pn( Pk=Pk+n),使得∠PkFPk+1=2π/n,∇k∈ ;接著於 ̅PkPk+1 分別取Mk、Hk滿足 ̅PkMk = ̅ MkPk+1 , ̅FHk ⊥ ̅ PkPk+1 ,稱M1M2…Mn、H1H2…Hn 分別為n邊形P1P2…Pn 的中點n邊形、垂足n邊形。首先,固定一圓,一定點F,我們發現無限多個以F作出的中點n邊形、垂足n邊形的頂點分別會共一封閉曲線,並得出其方程式。第二,以圓錐曲線的焦點F任意作出的垂足n邊形H1H2…Hn的頂點會共一封閉曲線;特別當n=4時,軌跡為一圓。最後,探討垂足n邊形的不變量性質: Σnm=1 1/( ̅FHk2m)與Σni=1 1/( ̅HiHi+12r) 恆為定值,最後推廣到空間中,並得到三維廣義的婆羅摩笈多定理。

2、3、4、5進位Kaprekar變換的性質

非負整數的各位數字重新排列後,由大到小減去由小到大的運算稱為Kaprekar運算。若原數和結果相等,則此數為Kaprekar常數。在此條件下,Kaprekar變換最終定會進入循環(包含循環節為1的情形)。本研究探討Kaprekar常數與循環的結構。 結果如下: (1)二進位分為五類,得到二進位常數的形式和規律。 (2)我們定義了g(x)來討論三進位的變換形式,得到能判斷其結構和循環節及數量的規則。 (3)g(x)在任何有理數區間中必有任意的n-循環點,其中n是任意正整數。 (4)關於四進位,我們發現將任意非負整數運算四次後必符合一形式,且其結果可類比於部份三進位的情形,進一步可得到所有四進位數的結果。

「圓圓」不絕─三角形內相切多等圓之探討

本研究旨在探討「直角三角形內部」、「等腰三角形內部」及「任意三角形角平分線上」的相切多等圓之不同排列情形,並找到多等圓的圓半徑公式。而在等腰三角形中,我們找出半徑與邊長、角度的關係後,接著探討該多等圓排列的最大半徑,進而探討內切多等圓在不同排列下產生最大圓半徑時,最適三角形的邊比為何,以及最適三角形頂角會滿足何種關係。最後將等腰三角形內的不同排列之半徑互相比較大小。

隱藏在天秤裡的秘密

題目源自科學研習月刊[1],與以往討論真假金幣最大的差異在於天秤的臂長為不等臂,故不能如以往的研究,單純的採用三分法判斷金幣的真偽。 為克服不等臂天秤無法採用三分法的限制,我們提出「類三分法」和「輔幣」作法。 輔幣是配合不等臂天秤左、右盤的比值,在短臂端(本研究設為右盤)填加已確認的真幣當輔幣,使天秤達平衡的做法。 類三分法是針對不等臂天秤設計以最少輔幣需求,處理首秤之後左、右、平盤金幣的分法。 此外,我們根據輔幣供應量與輔幣需求量提出了3個輔幣判斷式。 因此「類三分法」與「輔幣判斷式」,幫助我們以不等臂天秤快速且簡單的找出分辨金幣真偽的最大值。